基于ISO/IEC/IEEE 21451的智能变压器软件定义网络模型与传感器性能评估

⃝⃝可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirectICT Express 3（2017）67www.elsevier.com/locate/icte智能变压器的软件定义网络模型，带有ISO/IEC/IEEE 21451传感器郭龙华a，b，吴俊a，李高磊a，李建华a，吴杰ba上海b美国费城天普大学计算机与信息科学系接收日期：2017年2月28日;接收日期：2017年5月6日;接受日期：2017年5月23日2017年6月16日在线发布摘要先进的IEC 61850智能Transformer在监测、控制和保护智能变电站中的设备方面表现出更好的性能。然而，异构性、可行性和网络控制问题限制了智能Transformer在网络中的性能。为了解决这些问题，提出了一种使用ISO/IEC/IEEE 21451网络的软件定义网络模型。设计了一种基于IEC-61850标准的网络控制器作为一种新型的智能电气设备。所提出的数据和信息模型增强了网络感知能力，方便了Transformer中智能传感器接入通信网络。性能评估结果表明，提高了效率。c2017韩国通信信息科学研究所。出版社：Elsevier B.V.这是一篇开放获取的文章，CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：IEC 61850; ISO/IEC/IEEE 21451;智能电器;智能Transformer1. 介绍随着现代通信和自动化控制技术的快速发展，智能电网提高了传统电网基础设施的环境友好性、可靠性、效率和 安 全 性 [1 ， 2] 。 提 出 了 一 种 先 进 的 IEC 61850 智 能Transformer，以取代实现智能配电系统和微电网的变电站中的传统Transformer [3，4]。然而，当前智能Transformer通信网络面临以下挑战。(1) 杂环：变压器中使用了几种类型的传感器用于特定功能，例如放油阀和超高频（UHF）传感器。同时，利用各种协议部署了大量传感器。因此，解决异构性问题的智能Transformer的发展非常*通讯作者。电子邮件地址：junwuhn@sjtu.edu.cn（J. Wu）.同行评审由韩国通信信息科学研究所负责本文是题为“专利、标准化和ICT实践中的未决问题特刊”的一部分本文件已由Dr.项羽。http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2017.05.004(2) 网络服务质量（QoS）：Transformer的故障会影响公用事业电力的供应可靠性，并可能导致供应中断[5]。Transformer与远程系统之间的通信也增加了通信的复杂性，这对网络QoS提出了更高的要求。为了解决上述问题，ISO/IEC/IEEE 21451标准和软件定义网络（SDN）架构是两种强有力的方法。ISO/IEC/IEEE21451-X（通常称为IEEE 1451.x）是一系列标准，提供了一个应用模型，以便于传感器访问网络[6]。为了满足行业SDN作为一种有前途的下一代网络架构，将控制平面和数据平面分离。可编程控制器有助于动态操纵2405-9595/c2017韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。68L. Guo et al. / ICT Express 3（2017）67网络行为作为简单的交换机，网络设备将数据包与条目进行匹配，并查找相应的操作[7]。SDN提供了解决QoS问题的方法，例如带宽、延迟和分组丢失。在这项研究中，一个软件定义的智能Transformer与IEC61850和ISO/IEC/IEEE 21451网络提出了实现更好的网络QoS和解决异构性问题。现有研究的局限性如下。首先，当前基于IEC 61850的通信模型传感器使用智能电子设备（IED）;如何访问SDN控制器并将其建模为IEC 61850网络，还没解决其次，对于软件定义的智能变压器，还需要一个集成模型来弥合IEC 61850和ISO/IEC/IEEE 21451网络之间的差距。为了克服上述局限性，讨论了数据模型和信息模型来应对这些挑战。网络控制器被设计为控制器IED，以处理和交换数据模型中的控制和监视数据。在信息模型中设计了一个管理信息库。本文的其余部分组织如下。第2节描述了与本研究相关的术语。第3节介绍了拟议的系统模型。在第4节中，给出了所提出的模型的细节，然后在第5节中进行了性能评估。我们在第6节中得出我们的结论并陈述我们未来的工作。2. 预赛2.1. IEC 61850和21451网络为了收集、监控和处理电气数据，智能Transformer使用大量IED [8]。变压器使用几种类型的传感器来感测诸如放油阀、套管传感器、UHF、气体和开关之类的项目。构建相应的IED以映射和建模IEC 61850的传感器设计[9]。电能质量事件和状态监测等应用通过IED和通信网络实现ISO/IEC/IEEE 21451传感器网络提供了一个应用模型，以方便传感器访问网络[8]。一个网络能力的应用处理器（NCAP）和传感器接口模块（TIM）组成一个基于21451传感器节点。作为一个基于处理器的网络节点，NCAP充当连接TIM和应用网络的网关。然而，如何在高级IEC61850网络中部署ISO/IEC/ IEEE 21451传感器在以前的工作2.2. 智能电网随着通信技术的快速发展与传统的网络架构相比，SDN分离了控制计划，使用我们提出的网络构建可编程网络。在以前的网络中，智能变电站的自配置IED是使用SDN开发的[10]。SDN使能的网络已经使相量测量单元数据速率适应于不同的接收器要求[11]。在广泛的通信领域，Fig. 1. 提出模型的基本思想。应用于电力系统的多协议标签交换[7]。基于SDN，智能电网可以有效地构建统一的通信基础设施，解决异构，资源优化和开放问题[12，13]。然而，大量的研究还没有提供在IEC 61850网络中构建软件定义的智能转换的解决方案3. 该模型在这项研究中，先进的IEC 61850智能Transformer的SDN模型提出了使用ISO/IEC/IEEE 21451网络。为了增强变压器应用和网络服务之间的互操作性，简要给出了基于SDN的网络模型的要求。根据需求，提出了该模型的体系结构3.1. 基本思想随着智能Transformer的发展，控制策略和通信系统的发展推动了Transformer的进步。在利用变压器的通信网络的设计中，效率和可靠性是重要的考虑因素。为了将SDN范例扩展到智能Transformer，这样的需求是Transformer特征的结果。随着各种传感器的广泛部署为了满足工业需求和对可靠的、更高性能的传感系统的日益增长的需求，需要一种应用模型来促进传感器对网络的访问，如图所示。1.一、为了构建具有改进的可编程性和灵活性的网络模型，必须基于IEC 61850标准对所设计的网络服务进行建模和映射。拓扑、设备管理和QoS管理等网络服务映射到高级IEC 61850 智 能 Transformer 中 的 抽 象 通 信 服 务 接 口（ACSI）层次化建模、配置描述、抽象服务映射和接口管理是网络服务建模和映射的关键根据分层网络功能，SDN控制器必须基于IEC 61850建模。此外，SDN控制器配置IEDS的SCD文件以实现模型中的功能设计的网络服务应映射到ACSI服务。该模型在接口管理方面保证了安全性和高效性，L. Guo et al. / ICT Express 3（2017）6769图二. 拟议模型的架构。确保权威。此外，通过网络服务，在Transformer应用中实现保护、控制和3.2. 架构为了满足上述要求，提出了使用ISO/IEC/IEEE 21451网络的高级IEC 61850智能Transformer的SDN架构，如图2所示。设计了三个部分，包括TIM、NCAP和应用端。TIM收集的信息通过NACP传输到应用程序端TIM是基于21451标准运行数据平面的智能传感器节点。NACP作为网关工作，实现TIM和应用侧之间的控制平面。在应用端，远程控制中心、工程站等系统在整个网络中执行控制、监视虚线箭头表示控制数据流。由于基于SDN的模型将控制平面与数据平面和应用平面分离，因此描述了控制器和网络设备的协议栈来实现控制平面。实线箭头显示了提出的网络模型。数据根据控制器生成的流表通过网络设备传输。可编程网络控制器能够为智能电网中的各种用例提供解决方案。如所提出的架构中所设计的，基于SDN的模型使用高级IEC 61850智能Transformer的XMPP访问网络传感器。基于21451个标准，建立了异构传感器的统一通信网络在本节中，将详细介绍拟议网络模型的主要问题。提出了一种基于SDN的网络集成模型，该模型遵循21451标准。此外，网络控制器被建模为一个控制器IED映射和管理网络与可编程。建模和配置便于控制器IED访问高级IEC 61850Transformer。由于在MIB中指定了许多被管理的网络对象，因此使用MIB映射来构建所需的网络和信息模型。4. 细节4.1. 基于XMPP的通信利用XMPP的即时通信和可扩展性等特点ISO/IEC/IEEE21451-1-4 XMPP智能传感器接口提供了传感器、执行器和网络设备的会话发起和协议传输，可提供互操作性、高可扩展性和安全性。随着信息技术的发展，用XMPP扩展IEC 61850标准成为解决非时间关键数据交换问题的一种趋势。IEC 61850 8-2是一个草案，补充了现有的第8-1部分，将特定的通信服务映射到XMPP。信号处理、调节和数据转换有利于TIM和TEDS中的cessed是基于21450标准生成的。使用基于21451-2的串行接口将从传感器收集的数据传输到NCAP在NCAP中，网络发现和TEDS接入服务处理收集的数据，并形成XMPP服务的基础。应用程序端和NCAP之间的通信是基于使用XMPP的客户机/服务器模型和到ACSI服务的映射。模型采用面向服务的体系结构，以满足标准的原始设计4.2. 数据模型网络控制器是SDN模型中的关键组件。为了接入IEC61850网络，SDN控制器被建模为IED，以在站级和过程级逻辑地监视和控制网络流。动态网络策略被映射到数据模型的ACSI服务如图3所示，逻辑设备、逻辑节点、数据对象、数据属性和数据集是数据模型的主要部分。控制器IED的相应应用服务器使用分布式方法部署网络功能包括OpenFlow驱动程序、服务抽象和编排包含在逻辑设备中。逻辑节点中包括流表、链路、数据流和设备。动态逻辑节点在网络中提供细粒度的抽象。在数据对象中，网络状态、拓扑、服务和流表分别由带宽、IP地址、服务级别和生命周期表示。数据属性也是控制器IED的一部分。例如，Mp/s是带宽或吞吐量的度量。在客户端和服务器之间，收集网络数据，如传感器数据和网络日志，数据集。4.3. 信息模型为 了 方 便 传 感 器 访 问 基 于 IEC 61850 标 准 的 智 能Transformer，建立具有映射MIB的信息模型是一种有效的方法。MIB作为一种虚拟数据库，具有特定的网络对象，用于网络监控。70L. Guo et al. / ICT Express 3（2017）67图三. 数据模型的体系结构。在MIB中组织了一个树层次结构，其中组织或功能由节点组成，被管理对象由叶子组成。层次结构在概念上被组织为树。在MIB中，四种不同类型的管理对象包括对象类型、通知类型、对象组和序列[4]。作为基本数据类型，对象类型和通知类型定义了单对象实例，并映射到IEC 61850信息模型中的数据对象。对于表格对象中的多个相关对象实例，序列映射到表中分组的逻辑节点作为一种复杂的数据类型，对象组被映射到具有单个对象的有序组的数据集。考虑到建模原则，将交换机视为一个特定的IED与服务器。在功能分解的基础上，建立了逻辑节点模型.通过对MIB的映射，得到了MIB中定义的多个被管对象的数据对象模型。为各种通信服务建立了多个数据集，提高了访问效率。5. 评价和讨论在评估中，我们选择了带宽波动性能，以显示所提出的模型的效率。智能传感器的IEC 61850网络带宽要求是动态变化的。在模拟实验中，我们模拟了一个简单的固定网络拓扑，其中包含一个客户端、一个服务器和一个端到端链路。当前模型通过定时控制分配带宽。所提出的具有SDN模型的模型动态地分配带宽，具有改进的性能，如图4所示。带宽波动被用来衡量带宽占用率的波动。该模型实现了动态带宽配置的网络策略，并具有较好的QoS。通过部署ISO/IEC/IEEE 21451传感器，解决了异构问题，提高了互操作性。建模的可编程控制器动态地操纵网络行为来解决QoS问题。在上述模拟的情况下，网络策略通过见图4。 带宽波动性能。使用建模的网络控制器编程。根据网络的行为和实时状态，在SDN控制器中进行分布式带宽配置。对于时变的连续业务流，为每个请求分配的带宽资源是实时分配的。因此，带宽资源是动态配置为每个业务6. 结论在这项研究中，一个先进的IEC 61850智能Transformer的SDN模型提出了使用ISO/IEC/IEEE 21451传感器。设计的数据和信息模型通过对网络设备的保护、监控和测量，提高了网络感知能力和访问效率。评估结果表明，所提出的软件定义的智能Transformer的效率提高。致谢本 工 作 得 到 了 国 家 自 然 科 学 基 金 （ 批 准 号 ：61401273、61562004、61372049、61431008）和上海市科学 技 术 委 员 会 （ 批 准 号 ： 2000000000 ） 的 资 助 。14DZ1104903）。利益冲突作者声明，本文中不存在利益冲突引用[1] S. 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